| FGSV-Nr. | FGSV 001/26 |
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| Ort | Bremen |
| Datum | 28.09.2016 |
| Titel | Systematische Nutzung von Bestandsdaten |
| Autoren | Dr.-Ing. Christoph Dröge |
| Kategorien | Kongress |
| Einleitung | Ziel des Infrastrukturmanagements ist es, alle Aktivitäten und Prozesse zu unterstützen, die notwendig sind, um mit Hilfe des netzweiten Bestandes von Straßen über einen gewissen Zeitraum ein definiertes Leistungsniveau der Verkehrswege zu gewährleisten. Entscheidungen müssen sich auf eine ausreichende und zutreffende Datengrundlage stützen können. Bestandsdaten gewinnen als Entscheidungsgrundlage für das Infrastrukturmanage ment eine zunehmende Bedeutung. Möglichkeiten einer Straßenbauverwaltung, vorhandene Daten zu nutzen, sind im nachfolgen den dargestellt. Dabei beschränkt sich die Darstellung auf Beispiele für das Erhaltungsmanagement im Streckenbau, nämlich Daten zum Aufbau des Oberbaus, zum Querschnitt, zum Straßenzu stand, zur Verkehrsbelastung und zu Kontrollprüfungen. Am Beispiel der Vorgehensweise in NRW werden zunächst Aussagen zu Bauweisenbewäh rung, Sicherheit für die Straßennutzer, Lärmwirkung und Straßendimensionierung getroffen. Hieraus abgeleitete Handlungsfelder werden angesprochen. Es folgt die Darstellung eines neuen Datenaufbereitungssystemes. Durch ein neues, sogenanntes Internes Kontrollsystem (IKS) wird es möglich, die Bauausfüh rungsqualität und die Bewährung unter Verkehrsbeanspruchung zu beurteilen. Dabei werden insbesondere Kontrollprüfungsdaten zur Bauausführung georeferenziert gesam melt und auswertbar gemacht. Baustellenscharfe und auch netzweite Sichtweisen werden möglich. Beispiele aus dem Asphaltstraßenbau werden genannt. Das System ermöglicht mittelfristig, regionale Erfahrungen mit Bauweisen zu sammeln und entsprechend optimierende Schritte einzuleiten. |
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| Volltext | Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.1 EinleitungFür den Erhalt der Leistungsfähigkeit der Straßeninfrastruktur ist ein aktiver Umgang mit dem Straßennetz notwendig. Arbeiten werden zunehmend im bestehenden Netz durchgeführt. Damit verbunden ist die Notwendigkeit, die verkehrliche Leistungsfähigkeit der Straßenabschnitte für den Straßennutzer beizubehalten. Die Zeitfenster für die Bauausführung werden kürzer und die terminlichen Festlegungen können weniger flexibel gehandhabt werden [3]. Dies fordert alle am Bau Beteiligten auf, der Bauvorbereitung und der Ausführungsqualität sowie der Erhaltungsstrategie weiterhin viel Aufmerksamkeit zu schenken. Hierzu verfügt die Straßenbauverwaltung über eine breite Datengrundlage. Für den Streckenbau sind dies im Wesentlichen die Daten zum Oberbau einer Straße. Die sogenannten Aufbau- und Querschnittsdaten beschreiben die Straße bautechnisch in Bezug auf die Schichtdicken, die stofflichen Bestandteile und das Alter sowie die Querschnittsabmessungen. Unter Querschnitt wird in diesem Sinne die Draufsicht auf die Flächen verstanden, aus denen sich die Straße und das Straßenumfeld zusammensetzen (Bild 1). Bild 1: Querschnitt und Aufbau gemäß ASB [1] Die durch schnellfahrende, messtechnische Erfassung der Fahrbahnoberfläche ermittelten und bewerteten Daten der Straßenzustandserfassung (ZEB) umfassen mit Hilfe von Normierungsfunktionen in dimensionslose Werte überführte Zustandsgrößen wie z. B. Allgemeine Unebenheit, Griffigkeit oder Risse [8]. Die Verkehrsbelastung benennt die Anzahl der Verkehrsbewegungen in einer Zeiteinheit; von besonderem Einfluss ist die durchschnittliche tägliche Verkehrsstärke der Fahrzeugarten des Schwerverkehrs (DTV (SV)) und die gewichtete Dimensionierungsrelevante Beanspruchung B. 2 Technische DatenauswertungAnhand einiger exemplarischer Beispiele wird zunächst ein Informationsgewinn durch Zusammenführung dieser Daten dargestellt. Dabei muss immer beachtet werden, dass jede Aussage von der Qualität der Datengrundlage abhängt. Die Sicherstellung einer ausreichenden Datenqualität erfordert einen hohen organisatorischen, personellen und finanziellen Aufwand. 2.1 Bewährung von BauweisenDie Lebensdauer eines Oberbaus entscheidet über die Wirtschaftlichkeit und die Länge von Erhaltungsintervallen. Das durchschnittliche Alter des derzeitigen Bestandes von Deckschichten im BAB-Netz in NRW ist in der Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1: Längenanteil und durchschnittliches Alter der wesentlichen Bauweisen im Bestand Von besonderem Interesse ist – aufgrund seiner vergleichsweise kurzen mechanischen Lebensdauer – der Offenporige Asphalt. Das Bild 2 zeigt die Zustandsentwicklung offenporiger Asphalte durch die Gegenüberstellung der Messergebnisse ZEB 2010 und 2014 am Beispiel einiger Abschnitte der BAB 40. Der Schwerverkehrsanteil ist in diesen Abschnitten vergleichbar. Bild 2: Zustandsentwicklung OPA am Beispiel der BAB 40, mit abschnittsbezogenen Herstellungszeiträumen Diese Draufsicht lässt noch wenige Schlussfolgerungen zu. Der detailliertere Vergleich der Straßenzustände sortiert nach dem Alter von Bauabschnitten zeigt jedoch, dass die geschädigten Bereiche schnell ersetzt werden müssen. Die Schadensentwicklung bei OPA setzt im Vergleich zu anderen Bauweisen früher ein und verläuft schneller (Bild 3). Bild 3: Vergleich der Substanzwerte je Maßnahmenjahr, Säulen bezogen auf 100 % der Jahreseinbaufläche und jährliche Einbaufläche [m²] in diesen Bereich Die damit lokal ermittelte, mechanische Lebensdauer von 8 bis 12 Jahren ist Grundlage von Erhaltungsplanungen. Perspektivisch muss folglich ungefähr eine doppelte Baustellenhäufigkeit in Abschnitten mit OPA im Vergleich zum Mittel anderer Bauweisen eingeplant werden. In NRW wird daher OPA auf einer Gussasphaltschicht erstellt [4]. Dies ermöglicht zumindest beim Ersatz der Deckschicht die Einhaltung kurzer Bauzeiten. Auch ist dies der Antrieb zur Überprüfung der Wirksamkeit des Aufsprühens von sogenanntes Asphaltverjüngungsmitteln, die in den Niederlanden die Lebensdauer von OPA verlängern sollen. Ebenso kann die dort angewandte Laserdetektion der ersten Kornausbrüche (LCMS) helfen, den optimalen Eingreifzeitpunkt zu prognostizieren. 2.2 Sicherheit der VerkehrsteilnehmerFür den Straßennutzer ist neben dem Fahrkomfort die Sicherheit der Fahrbahn maßgeblich, hier insbesondere die Griffigkeit. Die Straßenoberflächen auf BAB in NRW weisen in der ZEB 2014 zu 16 % beginnende Qualitätsmängel im Substanzwert (Oberfläche) auf (Note > 3,5). Der Zustandswert Griffigkeit weist hingegen nur einen Anteil von 3 % (Note > 3,5) auf (Bild 4). Die Griffigkeit insgesamt ist also kein überproportional häufiges Schadensbild mehr. Die Anstrengungen der am Bau beteiligten waren in diesem Thema erfolgreich. Bild 4: ZEB BAB 2014 und prozentualer Anteil beginnender Qualitätsmängel nach Bauweisen Längenanteile mit Griffigkeitsmängeln werden zu 42 % von der Bauweise SMA und – trotz des klar höheren Durchschnittsalters – nur zu 34 % von Gussasphalt belegt. Es hat sich also bewährt und es wird weiter verfolgt, höchstwertigen, vorbituminierten Abstreusplitt beim Gussasphalt einzusetzen . Bereiche mit besonders hohen Anforderungen an die Griffigkeit (z. B. Unfallhäufungsstellen in Rampen) sollten vor dem Hintergrund dieses Zusammenhangs nicht mit „Standard SMA“ erstellt werden. 2.3 LärmwirkungFür den Anwohner einer Straße ist die Lärmwirkung Fahrzeug/Fahrbahn maßgebend. Über die Bauweise wird das Niveau der Lärmwirkung straßenbauseitig beeinflusst. Die bürgernahe Darstellung der Lärmwirkung von Straßen lässt sich durch die grafische Darstellung von Strecke und zugeordnetem Lärmminderungswert darstellen [5]. Dabei wird die Lärmwirkung der Bauweise gemäß RLS 90 und bautechnischer Bewertung zugeordnet. Mit der gleichzeitigen Darstellung der ZEB-Werte lässt sich die Umsetzbarkeit der Veränderung der örtlichen Situation schnell abschätzen (Bild 5). Bild 5: Straßenzustand, Lärmwirkung und Alter eines Abschnittes der A4 bei Köln Diese Datendarstellung unterstützt die Vereinheitlichung und Versachlichung der Diskussionen auf verschieden Arbeitsebenen. 2.4 Zukunftsfähige DimensionierungFür den Betreiber eines Straßennetzes ist eine vorrausschauende Dimensionierung des Straßenoberbaus von Interesse [7]. Basierend auf den Verkehrsdaten lassen sich Abschnitte identifizieren, die Aufgrund Ihrer starken Verkehrsbeanspruchung einer besonderen Aufmerksamkeit bedürfen. Zusammen mit den Querschnittsdaten ist zunächst die Dimensionierungsrelevante Beanspruchung B ermittelbar (Bild 6). Nach aktuellen Erkenntnissen ist für höchstbelastete Strecken eine rechnerische Ermittlung neuer, meist dickerer Soll-Schichtdicken zu ermitteln [6]. Ein Vergleich mit den Schichtdicken der Aufbaudaten kann bei der Planung von Erhaltungsmaßnahmen helfen, diesen wesentlichen Baustein rechtzeitig einzuleiten. Bild 6: Übersicht zu Streckenabschnitten in NRW, die bezüglich ihrer Dimensionierung einer erweiterten Betrachtung bedürfen In den wesentlichen Transitstrecken in NRW liegt die dimensionierungsrelevante Beanspruchung B voraussichtlich über 100 Mio., sodass eine rechnergestützte Ermittlung von Schichtdicken erforderlich wird. Einige Strecken weisen eine so hohe Beanspruchung auf, dass eine Erhöhung der Schichtdicke unter Zugrundelegung des Kalibrierasphaltes nicht mehr zielführend ist. Hier wird voraussichtlich eine Anwendung von Materialparametern für die Asphaltmischgüter erforderlich werden oder es sollte eine andere Bauweise gewählt werden. Solche Fragestellungen müssen im Vorfeld einer Baumaßnahme entschieden sein. 3 Qualitätssicherung in der BauausführungDie oben dargestellten Zusammenhänge zeigen wichtige übersichtsgebende Zusammenhänge und damit Entscheidungsgrundlagen auf. Für eine vertiefte Ermittlung des bautechnischen Ursprungs dieser Abhängigkeiten ist eine ortsscharfe Analyse der eingebauten Materialparameter zwingend. Auch das in NRW zum Erhalt des Zustandes [8] und zur Netzergänzung investierte Bauvolumen von ca. einer Milliarde Euro jährlich motiviert zu Anstrengungen, erweiterte Qualitätskontrolle systematisch zu betreiben. 3.1 SystemaufbauTechnische Qualitätssicherungen werden klassisch baumaßnahmenbezogen durch eine große Zahl zeitlich, räumlich und inhaltlich unterschiedlicher Prüfungen (Baustoffe, Oberflächeneigenschaften) durchgeführt und dokumentiert. Dabei sind Aussagen zur Qualität des Gesamtbauwerks aufgrund der Menge und Unterschiedlichkeit der Untersuchungsergebnisse oft nur schwer möglich. Netzweite Aussagen zur ausgeführten Bauqualität sind mit den aktuell zur Verfügung stehenden technischen Mitteln nicht möglich. Mit der Erarbeitung eines internen Kontrollsystems (IKS) wird bei Straßen.NRW das Ziel verfolgt, die im Streckenbau unterschiedlich anfallenden Prüfdaten in einem vergleichbaren Format zu sammeln und zentral auswertbar zu machen. Es wurde eine Software erstellt [Lit. 2], die eine Erfassung, Bewertung und Zusammenführung der an unterschiedlichen Stellen anfallenden Prüfdaten ermöglicht. Aussagen zur Qualität der Bauausführung, zur Fehleranfälligkeit von Bauverfahren und zur Bewährung von Bauweisen werden damit erstmalig breit abgesichert und mit lokalem Erfahrungshintergrund belegt. Die IKS-Fachanwendung wurde als modernes Client-Server-System aufgesetzt. IKS baut auf eine zentrale (eigene) Datenhaltung für die Ablage der Fachdaten und Bewertungsergebnisse auf. Damit ist das System flexibel an Anforderungen der Anwender anpassbar. Der Import der unterschiedlichen Prüfergebnisse der Bauabnahmen und Baustoffprüfungen erfolgt im IKS File-basiert über die Clients (Bild 7) . Bild 7: Datenfluss innerhalb des IKS-Systems Damit sind im Nebeneffekt die Prüfergebnisse archiviert. Dies ist auch vor dem Hintergrund der Altersentwicklung der Mitarbeiter im technischen Bereich sinnvoll. Der IKS-Anwender hat die Möglichkeit, Kontrollprüfungsergebnisse aus z. B. Asphaltmischgut- und Bohrkernuntersuchungen, aber potenziell auch z. B. Tragfähigkeits- oder Ebenheitsmessungen, in eine zentrale IKS-Datenbank zu importieren . Neben den reinen Fachdaten kann eine jede Probe auch die Projektdaten (mit Kennung, Maßnahmenbezeichnung, zuständige Niederlassung, ausführende Firma und Liefermischwerk) und die Verortungsangaben (Entnahmestelle und Geltungsbereich) mitbringen. Hierüber bekommen die Proben den Bezug zum Straßennetz und können mit anderen Bestandsdaten verknüpft werden (Bild 8). Bild 8: Wesentliche Datengruppen im IKS-System Nach dem Datenimport kann der Anwender / Auswerter zwischen drei Sichtweisen wählen. Er kann den Fokus – über entsprechende Filterfunktionen – auf ein bestimmtes Projekt, auf eine bestimmte Bauweise oder einen bestimmten Parameter (z. B. Bindemittelgehalt) legen und – in den beiden letztgenannten Fällen auch landesweit – auswerten. Als wichtiges Handwerkzeug steht ein Zentraler Bewertungsschlüssel zur Verfügung, welcher die festgestellten Prüfwerte mit den Vorgaben des technischen Regelwerks abgleicht und für eine Gesamtnote gewichtet. Die daraus resultierenden Ergebnisse lassen sich in einer Über-sichtstabelle, in baumartiger Gliederung, im Streckenband oder in der Straßenkarte darstellen. Zur besseren Übersichtlichkeit werden sie mit den Ampelfarben grün/gelb/rot hinterlegt (Bild 9). Bild 9: Bewertungsschlüssel im IKS-System Da die Bewertung der Gesamtqualität eine Betrachtung mehrerer Parameter aus unterschiedlichen Proben und Prüfverfahren erfordert, sind im System komplexe Verschneidungsverfahren implementiert. Diese erfordern eine präzise Verortung sämtlicher Daten gemäß den Bundesstandards der Anweisung Straßeninformationsbank (ASB). Damit zukünftig auch die mit GPS-Koordinaten verorteten Daten effizient dem Straßennetz zugeordnet werden können, nutzt IKS einen Dienst zur Transformation von Netzinformationen der NWSIB (WROADS). Dieser wurde eigens für IKS erweitert, so dass er nun auch Koordinatenfolgen in ASB-Streckenbezüge umrechnen kann. 3.2 AnwendungsbeispieleFür den Bauüberwachenden gibt das Programm eine Hilfestellung zur Sortierung und Archivierung der Kontrollprüfungsergebnisse. Bei großen, mehrjährigen Maßnahmen kann dies hilfreich sein. Der automatische Abgleich mit dem Regelwerk unterstützt ebenfalls im Alltag, obwohl dies in den Prüfberichten bereits enthalten ist. Das System ermöglicht ihm eine ganzheitlichere Sichtweise des Bauwerks Straße. Zusammen mit einer automatisierten Bewertung mehrerer Prüfparameter kann zukünftig mit fortschreitendem Baufortschritt ggf. noch während der Bauphase auf Erkenntnisse reagiert werden. Mit dem derzeitigen Datenbestand aus dem Bereich Asphalt ist eine projektübergreifende, globale Sicht bereits erkenntnisreich. Die Daten wurden durch Straßen.NRW, Prüfstelle für Straßenbaustoffe und Baugrunduntersuchung, ermittelt und dann aufbereitet. Beispiel Bindemittelgehalt: Bei betrachteten 3383 Proben aus den Jahren 2011 – 2013 liegt der Anteil unzulässiger Abweichungen, das heißt außerhalb des jeweiligen Toleranzbereiches, bei nur 3 % (102 Proben). Der durchschnittliche Bindemittelgehalt (Prüfwert) stimmt mit 5,3 M .-% mit dem Sollwert (Eignungsnachweis) von 5,3 M .-% überraschend exakt überein. Beispiel Hohlraumgehalt MPK: Für die Lebensdauer einer Straße ist das Merkmal Hohlraumgehalt von Bedeutung. Hier zeigt die Auswertung von 3129 Mischgutproben (MPK) bei einer Betrachtung über alle Mischgutsorten und -arten sowie Schichten ebenfalls eine Mängelhäufung von nur 3 % (100 Proben). Leider belegt eine Auswertung nur der Deckschichten eine Abweichung von den Toleranzwerten von 6 % (63 von 993 Proben). Beispiel Hohlraumgehalt in der fertigen Schicht: Für den für die Straße Verantwortlichen ist das fertige Produkt – das eingebaute Material – ausschlaggebend. Hier zeigt die Auswertung von 753 Bohrkernproben eine deutliche Zunahme der zunächst unzulässigen Abweichungen auf. Bei 20 % (150 Proben) wurden Überschreitungen der jeweiligen Grenzen für den Hohlraumgehalt festgestellt (Bild 10). Das Mittel der Überschreitungen beträgt 2,1 Vol .-%, stellt einen Mangel dar und wird mit Abzügen gehandhabt. Eine Situation, die für alle Beteiligten Nachteile beinhaltet. Bild 10: Mangelanteile bei den Merkmalen Hohlraumgehalt am MPK und in der fertigen Schicht Daraufhin eingeleitete, vertiefende Untersuchungen weisen auf eine kritische Betrachtung zur Präzision des Prüfverfahrens bei einigen wenigen Mischgutsorten hin. In der Summe bleibt jedoch die Aufgabe, eine bessere Schichtenqualität zu erreichen, klar formuliert. Mit den Maßnahmen des Bundes zur Verbesserung der Einbauqualität finden hierzu derzeit wichtige Schritte statt. Die dargestellten Beispiele geben einen Eindruck von dem Potenzial des Programmes. Mit zunehmender Datendichte werden sich die Auswertemöglichkeiten erhöhen. Ein großer Informationsgewinn ist zukünftig mit der Verschneidung von mehreren, komplett erfassten, georeferenzierten Datensätzen größerer Baumaßnahmen mit mehreren ZEB Messungen sowie der Verkehrsbelastung zu erwarten. 4 ZusammenfassungFür eine Straßenbauverwaltung sind ausreichende und qualitätsgesicherte Bestandsdaten wesentliche Entscheidungsgrundlage. Für den Streckenbau sind dies im wesentlichen Daten zur Straßengeometrie, zum Alter und physikalische Kenngrößen der Materialien. Hinzu kommen Daten zum Straßenzustand und zur Verkehrsbeanspruchung. Am Beispiel der Themen Bauweisenbewährung, Verkehrssicherheit, Lärmwirkung und Dimensionierung konnten unterschiedlichste Erkenntnisgewinne durch Datenverknüpfung dargestellt werden. Beispielsweise ist der Fortschritt im bautechnischen Umgang mit dem Thema Griffigkeit dargestellt. So beträgt der Anteil von Strecken mit beginnenden Defiziten in NRW lediglich 3 % und ist sogar bei Gussasphalt mit 31-jähriger Liegezeit unterrepräsentativ vertreten. Mit dem bei Straßen.NRW entwickelten System IKS wird eine vertiefte Ermittlung des bautechnischen Ursprungs solcher Abhängigkeiten möglich. Die georeferenzierte elektronische Ablage von unterschiedlichsten Kontrollprüfungsergebnissen ist Grundlage für unterschiedliche baustellenscharfe und globale Aussagen. Basierend auf ca. 3000 Proben konnten beispielhafte Aussagen zur Asphaltqualität getroffen werden. Bisherige Auswertungen belegen ein in der Summe erfolgreiches technisches Vorgehen bei Straßenbau in NRW. Materialparameter werden überraschend gut eingehalten, Defizite wurden dargestellt. Mit zunehmender Datendichte werden sich die Auswertemöglichkeiten erhöhen. Den Mitarbeitern des Teams Straßenbau bei Straßen.NRW danke ich für die Unterstützung und Anregung bei der Erarbeitung der dargestellten Zusammenhänge und bei der Erstellung dieses Fachbeitrages. Literaturverzeichnis
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